CN113958285A - 一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及煤矿加固技术领域，具体公开了一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法，包括以下步骤：S1、定眼位：在矿井通道顶层100㎡范围内，从煤矿表层每间隔10米选定一点竖直向底层进行打眼，眼孔深1～2m；S2、钻孔：沿着眼孔继续由煤矿表层至底部钻孔，钻孔高度为30～900m；S3、安装注浆管路：将与钻孔高度等长的纸筒插入钻孔底部，纸筒外壁面与钻孔岩壁贴合；S4、注浆：向纸筒内首先注入水玻璃，再注入浓度为20～50％固化剂，等待凝固；S5、多次注浆：首次注浆凝固时间2～10min后，再次重复步骤S4的操作步骤，进行多次循环注浆，至注满纸筒。本申请的制备方法具有缩短浆料凝固时间的优点。

Description

一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法
技术领域
本申请涉及煤矿加固技术领域，更具体地说，它涉及一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法。
背景技术
我国煤炭资源丰富，煤炭资源开发面临的地质、水文地质条件多样且复杂，东部和西部地区许多大型煤田为浅埋煤层，上覆有富水性弱—中等的底部含沙巨厚松散层，或上覆存在较厚、富水性不均一的风氧化带；西北地区多数煤田煤系地层为侏罗系地层，该地区煤层顶板多为富水性弱—中等的弱胶结中粗粒砂岩地层，遇水易蠕变沙化。在实际生产中，工作面回采通过上覆松散层、风氧化带或弱胶结砂岩层区域时，已发生多起不同程度的矿井溃水溃沙灾害，井工煤矿溃水溃沙灾害破坏性大、灾害治理过程的安全隐患难消除、堵水堵沙费用高等问题突出。
当溃沙地层与强含水层或地表沟通时，往往会导致地层抽冒或地表塌陷，地表水体或地下含水层水集中携沙涌入矿井，易造成人员生命财产损失，甚至造成更大的二次溃水溃沙灾害；在井工煤矿采掘过程中若发生溃水溃沙灾害，因此，需研究制订安全、经济且有效的挡水墙建造技术。
目前我国通常采用注浆方式，对开挖煤矿面进行加固，来改善不良的地质条件。在注浆浆液的选择方面，通常采用单液水泥浆注浆，但这种方式浆料凝固时间至少要15天左右，凝固时间长，尤其在发生溃水溃沙事件人员遇困时，采取注浆防止二次溃水溃沙发生，抢救遇困人员往往不能实现。
发明内容
为了缩短浆料凝固时间，本申请提供一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法。
本申请提供的一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法采用如下的技术方案：
一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、定眼位：在矿井通道顶层100㎡范围内，从煤矿表层每间隔10米选定一点竖直向底层进行打眼，眼孔深1～2m；
S2、钻孔：沿着眼孔继续由煤矿表层至底部钻孔，钻孔高度为30～900m；
S3、安装注浆管路：将与钻孔高度等长的纸筒插入钻孔底部，纸筒直径与钻孔直径一致，纸筒外壁面与钻孔岩壁贴合；
S4、注浆：向纸筒内首先注入水玻璃，至纸筒深度1/8处，再注入浓度为20～50％固化剂，等待凝固；
S5、多次注浆：首次注浆凝固时间2～10min后，再次重复步骤S4的操作步骤，进行多次循环注浆，至注满纸筒。
通过采用上述技术方案，由于在煤矿井通道周侧均匀钻孔，钻孔内交替注入水玻璃和固化剂，两种溶液迅速反应生成硅胶和硅胶凝胶，起到胶结和填充钻孔的作用，使得煤矿的强度和承载能力提高，并且缩短了注浆液的凝结时间。此外，钻孔内放入纸筒，可有效阻隔煤渣掉入钻孔中，保证注浆质量；也能阻隔注浆液在凝结前渗入到煤矿内，既能使注浆液保持一定的形状，又节省了原材料和成本，并且在注浆液凝固后，纸筒可逐渐降解，融入到煤矿中不但不会影响煤矿的纯度，还可与煤矿共同作为矿原料使用。
优选的，所述每次注浆时水玻璃与固化剂的重量份比为2～3：1。
通过采用上述技术方案，在水玻璃中加入适当的固化剂，可加快凝结速度，增强水玻璃硬度，但是过量的固化剂反而会使水玻璃硬度降低。
优选的，所述水玻璃的模数为3～5。
通过采用上述技术方案，水玻璃的模数代表Na2O和SiO2的摩尔比，在该范围内，水玻璃既有较高的强度，又不易溶于冷水，即吸水少，减少注浆过程中水分进入煤矿中造成溃水溃沙的风险。
优选的，所述水玻璃的波美度为35～50°Bé。
通过采用上述技术方案，试验数据证明，水玻璃波美度在该范围下，水玻璃的含量相对较高，粘度较大。
优选的，所述固化剂为氯化镁、氯化钙、氯化钾、硫酸钠、硫酸铝、硫酸镁中的一种或几种。
通过采用上述技术方案，由于水玻璃不能在碱性环境中使用，因此呈中性或酸性的氯化镁、氯化钙、氯化钾、硫酸钠、硫酸铝和硫酸镁与水玻璃反应后，可对已硬化的水玻璃达到酸洗处理的目的，此外，上述物质与水玻璃反应形成二氧化硅网状骨架，在高温下强度下降很小，从而起到耐热耐火的作用。
优选的，所述注水玻璃时的注浆压力为4～6MPa，注固化剂时的注浆压力为3～5MPa。
通过采用上述技术方案，试验数据证明，在该范围下，水玻璃浆液扩散充填、压实的效果最佳，固化剂浆液融入到水玻璃中的效果最好，且浆液不易飞溅。
优选的，所述纸筒为吸水性纸筒。
通过采用上述技术方案，由于水玻璃和固化剂作为注浆液在凝固前会释放出部分水，吸水性纸筒可以吸收部分水，从而减小了水分进入煤矿中的概率，进一步降低煤矿溃水溃沙事故的发生。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请采用在煤矿井通道周侧均匀钻孔，钻孔内交替注入水玻璃和固化剂，两种溶液迅速反应生成硅胶和硅胶凝胶，起到胶结和填充钻孔的作用，使得煤矿的强度和承载能力提高，并且缩短了注浆液的凝结时间。
2、本申请中优选采用呈中性或酸性的氯化镁、氯化钙、氯化钾、硫酸钠、硫酸铝和硫酸镁中的一种或几种作为固化剂，与水玻璃反应后，可对已硬化的水玻璃达到酸洗处理的目的。
3、本申请优先采用吸水性纸筒，吸收水玻璃和固化剂作为注浆液在凝固前释放出的部分水，从而减小了水分进入煤矿中的概率，进一步降低煤矿溃水溃沙事故的发生。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例
实施例1
一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法，包括以下步骤：
S1、定眼位：在矿井通道顶层100㎡范围内，从煤矿表层每间隔10米选定一点竖直向底层进行打眼，眼孔深1m；
S2、钻孔：沿着眼孔继续由煤矿表层至底部钻孔，钻孔高度为100m；
S3、安装注浆管路：将与钻孔高度等长的纸筒插入钻孔底部，纸筒直径与钻孔直径一致，纸筒外壁面与钻孔岩壁贴合；
S4、注浆：向吸水性纸筒内首先注入水玻璃，注浆压力为4MPa，至吸水性纸筒深度1/8处，再注入浓度为20％的固化剂，注浆压力为3MPa，等待凝固。本申请中，每次注浆时水玻璃与固化剂的重量份比为2：1，水玻璃的模数为3，水玻璃的波美度为35°Bé，固化剂优先采用为氯化镁、氯化钙和氯化钾的混合液。
S5、多次注浆：首次注浆凝固时间2min后，再次重复步骤S4的操作步骤，进行多次循环注浆，至注满纸筒。
实施例2
一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法，包括以下步骤：
S1、定眼位：在矿井通道顶层100㎡范围内，从煤矿表层每间隔10米选定一点竖直向底层进行打眼，眼孔深1.5m；
S2、钻孔：沿着眼孔继续由煤矿表层至底部钻孔，钻孔高度为500m；
S3、安装注浆管路：将与钻孔高度等长的纸筒插入钻孔底部，纸筒直径与钻孔直径一致，纸筒外壁面与钻孔岩壁贴合；
S4、注浆：向吸水性纸筒内首先注入水玻璃，注浆压力为5MPa，至吸水性纸筒深度1/8处，再注入浓度为35％的固化剂，注浆压力为4MPa，等待凝固。本申请中，每次注浆时水玻璃与固化剂的重量份比为2.5：1，水玻璃的模数为4，水玻璃的波美度为42°Bé，固化剂优先采用为氯化钙和氯化钾、硫酸镁的混合液。
S5、多次注浆：首次注浆凝固时间6min后，再次重复步骤S4的操作步骤，进行多次循环注浆，至注满纸筒。
实施例3
一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法，包括以下步骤：
S1、定眼位：在矿井通道附近100㎡范围内，从煤矿表层每间隔10米选定一点竖直向底层进行打眼，眼孔深2m；
S2、钻孔：沿着眼孔继续由煤矿表层至底部钻孔，钻孔高度为900m；
S3、安装注浆管路：将与钻孔高度等长的纸筒插入钻孔底部，纸筒直径与钻孔直径一致，纸筒外壁面与钻孔岩壁贴合；
S4、注浆：向吸水性纸筒内首先注入水玻璃，注浆压力为6MPa，至吸水性纸筒深度1/8处，再注入浓度为50％的固化剂，注浆压力为5MPa，等待凝固。本申请中，每次注浆时水玻璃与固化剂的重量份比为3：1，水玻璃的模数为5，水玻璃的波美度为50°Bé，固化剂优先采用为硫酸钠、硫酸铝和硫酸镁的混合液。
S5、多次注浆：首次注浆凝固时间10min后，再次重复步骤S4的操作步骤，进行多次循环注浆，至注满纸筒。
对比例
对比例1
与实施例2的区别在于钻孔内只注入水玻璃，不加固化剂。
对比例2
与实施例2的区别在于钻孔内不放入吸水性纸筒。
性能检测试验
检测上述实施例和对比例中注浆液完全凝结所需的凝结时间、凝结后的抗压强度及注浆后钻孔周侧的含水量。
检测方法
1.凝结时间用符合GB3350.6规定的仪器测定，此时仪器试样棒应改为试针，装净浆的试模采用圆模。
2.根据国家标准GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》的规定，测定注浆液凝结后在规定龄期的抗压强度。
3.采用中子探测器加以测定。中子源放出的快中子在土壤中的慢化能力与土壤、煤矿含水量有关，借助事先标定，便可求出钻孔周侧煤矿的含水量。
表1试验结果
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2
凝结时间/min 25 10 8 471 75
抗压强度/MPa 8 10 15 3 5
湿度/％ 70 75 78 80 90
结合对比例1并结合表1可以看出，注浆液只采用水玻璃，不加固化剂，水玻璃凝结时间缓慢，凝结需要近8个小时，甚至不凝结，而加入固化剂后，固化剂与水玻璃很快发生固化反应，仅在半个小时之内，注浆液便可完全凝结，大大降低了凝结时间；此外，不加固化剂，抗压强度也较低，这说明固化剂与水玻璃反应形成网状的二氧化硅结构，增强了其强度。
结合对比例2并结合表1，在钻孔内不放入吸水性纸筒，钻孔周侧的湿度明显高于放入吸水性纸筒时的湿度，这说明吸水性纸筒将注浆液中渗出的水分吸收，减少了水分进入钻孔周侧的煤矿中。
结合表1还可以看出，水玻璃的波美度越大，模数越大，注浆液凝结时间越短，抗压强度越大。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、定眼位：在矿井通道顶层100㎡范围内，从煤矿表层每间隔10米选定一点竖直向底层进行打眼，眼孔深1～2m；
S2、钻孔：沿着眼孔继续由煤矿表层至底部钻孔，钻孔高度为30～900m；
S3、安装注浆管路：将与钻孔高度等长的纸筒插入钻孔底部，纸筒直径与钻孔直径一致，纸筒外壁面与钻孔岩壁贴合；
S4、注浆：向纸筒内首先注入水玻璃，至纸筒深度1/8处，再注入浓度为20～50％固化剂，等待凝固；
S5、多次注浆：首次注浆凝固时间2～10min后，再次重复步骤S4的操作步骤，进行多次循环注浆，至注满纸筒。
2.根据权利要求1所述的一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法，其特征在于：所述每次注浆时水玻璃与固化剂的重量份比为2～3：1。
3.根据权利要求1所述的一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法，其特征在于：所述水玻璃的模数为3～5。
4.根据权利要求1所述的一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法，其特征在于：所述水玻璃的波美度为35～50°Bé。
5.根据权利要求1所述的一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法，其特征在于：所述固化剂为氯化镁、氯化钙、氯化钾、硫酸钠、硫酸铝、硫酸镁中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法，其特征在于：所述注水玻璃时的注浆压力为4～6MPa，注固化剂时的注浆压力为3～5MPa。
7.根据权利要求1所述的一种防煤矿溃水溃沙固化煤层治理方法，其特征在于：所述纸筒为吸水性纸筒。
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